隧道盾構(gòu)開挖對鄰近管線的影響

張 平 張建輝 陸志杰

(河北大學建筑工程學院，河北 保定 071000)

?

隧道盾構(gòu)開挖對鄰近管線的影響

張 平 張建輝 陸志杰

(河北大學建筑工程學院，河北 保定 071000)

運用ANSYS15.0有限元軟件，模擬了盾構(gòu)隧道開挖的全過程，分析了盾構(gòu)隧道平行下穿地下管線時對管線的影響規(guī)律，探討了土體、隧道、管線三者之間的相互作用，并通過與工程實測數(shù)據(jù)對比，驗證了數(shù)值計算的可靠性。

盾構(gòu)開挖，剛性管線，有限元，監(jiān)測數(shù)據(jù)

0 引言

目前，在建的城市地鐵需要穿越大量地下管線。由于地鐵盾構(gòu)開挖會引起周圍地表沉降，對埋設(shè)在地下的管線造成不可避免的影響，嚴重時會使管線破壞影響使用，甚至會造成災難性后果。目前，國內(nèi)外對盾構(gòu)隧道開挖引起的地表沉降研究較多[1-5]，其中影響較大的是Peck公式。當前，利用有限元能夠比較準確地模擬地下管線影響的各種因素，并進行定量分析。

1 數(shù)值模擬

1.1 基本假定

為了模型計算的簡便并能更好的分析其主要規(guī)律，計算中需要做如下假定：

1)土體符合彈塑性材料特性，滿足mohr-coulomb強度準則；

2)管線為等直徑，等壁厚，由于管線變形很小，本構(gòu)關(guān)系按線彈性考慮；

3)由于是對剛性管線進行分析，假定管節(jié)與管線接頭剛度相同，同時為了簡化計算，管線按無內(nèi)壓工況考慮。

1.2 建立數(shù)值模型

隧道地下管線在隧道軸線上方7 550 mm偏右1 250 mm處，管線與隧道平行；內(nèi)徑5.7 m，襯砌采用裝備是鋼筋混凝土單層襯砌，厚0.3 m，隧道中心埋深為15.85 m，計算模型長寬高為50 m，40 m，25 m，管線為方形混凝土排水管，壁厚0.1 m，長寬高分別為50 m，2 m，1.8 m，將隧道中心位置設(shè)為坐標原點，X軸與隧道軸線正交，Y軸為隧道軸向，地下管線與隧道管片選用Shell63單元來模擬，用Solid45單元來模擬土體，網(wǎng)格為自由劃分網(wǎng)格，數(shù)值模型和各土體參數(shù)見圖1，圖2和表1。

2 計算結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬分析

表1 各土層及管線的物理力學參數(shù)

材料泊松比彈性模量MPa凝聚力kPa內(nèi)摩擦角(°)容重kN/m3雜填土0.2330521.4粉土0.3812.721.521.918.1粉質(zhì)粘土0.3315.229.819.419.2中粗砂0.3224.603219標準混凝土襯砌0.1730000混凝土管線0.225000

選取X=10 m處管線上方土層沉降進行分析，X=10 m處管線沉降隨掘進深度變化的數(shù)值模擬計算結(jié)果見圖3。

由圖3可得出：管線的沉降規(guī)律接近于累計分布函數(shù)，在隧道開挖面前方10 m和5 m處，管線沉降為+1.95 mm和+0.94 mm，即有一定的上升隆起現(xiàn)象，這與實際開挖下地表沉降規(guī)律相吻合，最終沉降約為45.4 mm，與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)最終沉降相差不大。在本章下面的分析中，均采用1.2節(jié)模擬方法來分析各影響因素下的管線沉降，通過改變某一影響因素的值，對模型進行修改后再分析，得到各影響因素下管線的沉降變化規(guī)律。

2.2 土質(zhì)不同對管線的影響

本節(jié)主要針對3個在建地鐵城市的土質(zhì)建模分析，計算參數(shù)如表2～表4所示。

表2 土質(zhì)1計算參數(shù)

表3 土質(zhì)2土層計算參數(shù)

表4 土質(zhì)3土層計算參數(shù)

3種不同土層下管線的豎向位移圖如圖4所示。

1)不管粘土或砂土，管線沉降曲線類似于地表沉降槽曲線，最大曲線斜率隨土剛度的增大而逐漸減小。

2)在同種土下，管線如果剛度越小，就有越大的主沉降區(qū)范圍，沉降也就越大。所以，土體剛度的增大管線沉降可以有效減小，考慮經(jīng)濟實用，在實際中一般加固管線下臥層和隧道管片周圍一定范圍的土體。

3)相對剛度越大的管土，管線就會有越大的沉降，對土質(zhì)進行分析時，管線的EI(剛度)，r(半徑)及i(沉降槽寬度)均為定值，對同種土，彈模E越大，則會有越大的壓縮模量，B就越小，這就同圖5中管線最大沉降隨管周土E(彈性模量)的增加而逐漸減小吻合。

2.3 不同管材對鄰近管線沉降的影響

混凝土管、鋼管、球墨鑄鐵管為常見的三種管材，其參數(shù)見表5。

3種管材下造成管線沉降如圖6所示。

表5 不同管材計算參數(shù)

1)3種材質(zhì)管材下隧道開挖造成管線沉降的變化規(guī)律基本一致，均與地表縱向沉降槽曲線類似，管線各點處的3條曲線切線斜率大致相同，主沉降區(qū)范圍差別不大。

2)3種管線的彈模有很大差別，引起的沉降卻相差不大，表明管線彈模的改變對其沉降沒有太大影響。

3)在隧道掘進中，管線的沉降由兩部分構(gòu)成：a.管線下臥層土體引起的沉降；b.管線受彎引起的沉降。本章節(jié)對某一特定因素分析時，均是保持其他因素不變，可知這3種管材的EI差別很大，而只有較小的沉降差，這表明管線沉降主要是由第a部分管線下臥層土體的沉降引起的，而其第b部分本身受彎引起的沉降很小。此部分沉降主要對管線內(nèi)力、應力產(chǎn)生影響，應在安全分析時加以重視。

2.4 不同埋深對地下管線的沉降影響

隨著管線埋深的增大，管隧間距則變小。埋深不同的管線沉降圖如圖7所示。

1)不同埋深所對應的地下管線沉降變化規(guī)律基本相同，圖7中曲線均類似于地表縱向槽。隨著管線埋深增加而增大，曲線最大斜率也隨之增大，然而對主沉降區(qū)范圍影響不大。

2.5 不同截面管材對管線沉降的影響

圓形、方形為常見的管線截面形式，假定管材、壁厚、管隧間距、施工參數(shù)等均一致，圓管(R=2.0m)與方管(2m×1.8m)的沉降曲線如圖8所示。

1)圓形管與方形管的沉降規(guī)律曲線基本相同，與地表沉降槽類似，主沉降范圍大致相同，兩條沉降曲線大致重合。

2)由于截面差異較大，管周土體壓力分布完全不同，最大拉應力差別很大，方形管的應力集中大于圓管，因此方形管相對圓管來說較不安全，所以圓管的使用比較普遍。

3 實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

地表沉降與管線沉降實測值見圖9，圖10。

隨盾構(gòu)開挖的進行，地表上各監(jiān)測點隨盾構(gòu)面可劃分為盾構(gòu)到達前、到達、通過時、盾尾通過后和后續(xù)沉降5個階段。各監(jiān)測點的沉降變化規(guī)律大致相同，由圖9，圖10可見，隧道平行下穿地下管線的沉降具有以下規(guī)律：

1)地表監(jiān)測點的沉降在以上5階段的變化規(guī)律：盾構(gòu)到達前

表現(xiàn)為略微下沉，離管線較近時表現(xiàn)為輕微隆起；到達時，地表及管線沉降表現(xiàn)為少量上升。盾構(gòu)通過、盾尾通過和后續(xù)沉降段，各監(jiān)測點只是沉降，由于軟土地區(qū)地表及地下管線沉降需要經(jīng)過很長時間才會處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以實際監(jiān)測數(shù)據(jù)并不是最終的沉降值，然而后續(xù)的沉降值較小，可以忽略不計。

2)由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在距盾構(gòu)面大約20m處地表及管線位移就開始受到施工影響，產(chǎn)生位移，在均勻土質(zhì)、施工參數(shù)完全相同狀態(tài)下，隨盾構(gòu)從各測點下穿過，地表及管線各測點沉降變化規(guī)律基本相同，但是下沉速率及沉降量大小并不完全相同。說明實際工況下各點的沉降量及變化速率受多重因素共同影響。

4 結(jié)語

本文依據(jù)前人研究，通過數(shù)模和與實測數(shù)據(jù)結(jié)合分析，以及對地鐵盾構(gòu)施工中由于參數(shù)不同造成地下管線的沉降規(guī)律進行了研究。主要成果如下：

1)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，主要研究地下管線在盾構(gòu)施工影響下的沉降變化規(guī)律：隧道的主要影響區(qū)域內(nèi)，管線監(jiān)測點的沉降變化規(guī)律大致相同，沉降曲線規(guī)律接近于累計分布函數(shù)，且分為盾構(gòu)到達前、盾構(gòu)經(jīng)過時、盾尾經(jīng)過后及后續(xù)沉降等階段。

2)隧道開挖對地表沉降的影響范圍約為隧道直徑的4倍，盾構(gòu)掘進時前方土體稍微隆起，掘進過后則不斷下沉，隨掘進深度的增加，土體沉降速度逐漸變小。隧道斷面上土體沉降曲線規(guī)律為隧道上方土體附近的沉降比較大，距離軸線越遠沉降越小，豎向離隧道越遠沉降也越小，每個沉降曲線均近似呈高斯分布。

3)對于同種地下管線下臥層土體，剛度越大，管線沉降越小。因此，增大土體的剛度可以有效地降低管線的沉降。對于影響管線沉降的本身參數(shù)來說，管材、截面形式等對管線沉降影響比較有限，而管線埋深則對管線的沉降影響比較顯著。隨著埋深的增大，管隧間距則逐漸減小，而沉降逐漸變大。

4)經(jīng)過對工程實例的計算分析并與實測對比，驗證了ANSYS有限元數(shù)值模擬隧道盾構(gòu)開挖對地下管線沉降影響的合理性。

[1]PeckR.B..Deepexcavationandtunnelinginsoftground.StateoftheArtReport[A].Proc.7thInt.Conf.onSoilMechanicsandFoundationEngineering[C].Mexicocity,1969:225-290.

[2]SagasetaC..Analysisofundrainedsoildeformationduetogroundloss[J].Geotechnique,1987,37(3):301-320.

[3] 候?qū)W淵，廖少明.盾構(gòu)隧道沉降預估[J].同濟大學學報，1986,14(2):253-262.

[4] 孫 鈞.城市環(huán)境土工學[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2005.

[5] 畢繼紅，江志峰，常 斌.近距離地鐵施工的有限元數(shù)值模擬[J].巖石力學，2005，26(2)：277-281.

[6] 張海波.地鐵隧道盾構(gòu)法施工對周圍環(huán)境影響的數(shù)值模擬[D].南京：河海大學，2005.

[7] 畢繼紅，劉 偉，江志峰.隧道開挖對地下管線的影響分析[J].巖石力學，2006,27(8)：1317-1321.

On influence of the tunnel shield on neighboring pipelines

Zhang Ping Zhang Jianhui Lu Zhijie

(ArchitecturalConstructionCollege,HebeiUniversity,Baoding071000,China)

The paper adopts the ANSYS 15.0 finite element software, simulates the whole process of the shield tunnel excavation, analyzes the influence of the shield tunnel which goes through the underground pipeline in a parallel way, explores the interactive roles among the earth, tunnel, and pipelines, and proves by the comparison with the engineering measured data that the numeric calculation is reliable.

shield excavation, stiff pipeline, finite element, monitoring data

1009-6825(2017)07-0149-03

2016-12-21

張 平(1990- )，男，在讀碩士

U455.43

A